橋面發熱系統在除雪融冰中的應用研究

王崢嶸

摘要 為解決冬季橋面積雪積冰問題，文章結合公路路段實際情況，在簡述橋面發熱系統組成與原理的基礎上，對融雪系統設計進行深入分析，內容包括橋面電纜結構設計、碳纖維發熱線鋪裝技術標準、橋面布線、控制系統和配電系統，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞 橋面發熱系統；橋面除雪融冰；發熱系統施工

中圖分類號 U446.1文獻標識碼A文章編號 2096-8949（2023）16-0011-03

0 引言

冬季橋面積雪積冰會嚴重影響行車安全，引發嚴重的交通事故，安裝橋面發熱系統能有效解決橋面積雪積冰問題，保證冬季橋面行車安全。而要想保證橋面發熱系統的應用達到理想效果，有必要結合實例進行深入分析，明確具體的施工工藝方法和要點。

1 工程概況

某公路是省道，為一級公路，路面寬25 m，與主線偏角114.1°，凈高5 m。設計、施工段落為K719+943～K720+546，發熱電纜和碳纖維進行設計；設計長度603.58 m，發熱電纜 345.54 m，碳纖維發熱線為248.84 m，設計車道為超車道，3.75 m寬，行車道、緊急停靠帶不安裝。

2 融雪系統設計

2.1 主橋溫度場

選取A點（發熱線正上方路表位置）、B點（發熱線外圍）、C點（橋面板頂面）、D點（橋面板底面）作為箱體上方橋面分析點位，A1、B1、C1、D1為翼板橋面對應點位。溫度場分布情況如圖1～2所示，2時為發熱電纜開啟的時間。從溫度分布云圖中可以看出，發熱電纜工作一段時間，溫度場穩定后，道路結構層內發熱線形成了穩定的發熱面。

計算模擬了發熱電纜開啟了8 h橋面的溫度場，從中可以看出，當外界溫度設定為?4 ℃時，橋面層在發熱線開啟4.47 h后A點溫度達到2 ℃，達到融雪化冰的溫度，符合設計要求，227 W/m²的設計融雪功率能夠達到有效融雪化冰效果。此時，碳纖維發熱線外圍B點溫度也只有6.9 ℃，而C點溫度為3.5 ℃，D點溫度為?1.3 ℃。

當外界溫度設定為?4℃時，橋面層在發熱電纜開啟4.48 h后A1點溫度達到2 ℃，達到融冰化雪的溫度，符合設計要求，227 W/m²的設計融雪功率能夠達到有效融冰化雪效果。此時發熱電纜外圍B1點溫度也只有6.8 ℃，而C1點溫度為3.4 ℃，D1點溫度為?1.2 ℃。

以上數據說明箱體上部橋面與箱體之間橋面存在溫差，但是溫差較小，在發熱電纜開啟初期D1點受到輻射作用相對D點升溫較快，但是由于其對流換熱系數較箱內D點要大，隨著發熱電纜和外界環境的作用，D點溫度較D1點增加變快。

2.2 橋面電纜結構設計

為了研究橋面融雪化冰系統中發熱電纜和碳纖維發熱線的發熱效率，參考國內外已有工程實例和后期運行效果，根據發熱電纜和碳纖維發熱線在超車道的鋪設特點，數值模擬橋面溫度場各點溫度及其溫度發展趨勢，判斷項目設置是否滿足融雪除冰要求，表1為發熱電纜和碳纖維發熱線的鋪設方案。

綜合上述數據，確定ABAQUS數值模擬氣象參數，外界環境溫度為?4 ℃，日均氣溫取?2.5 ℃，氣溫日變幅為7.5 ℃。模擬中，瀝青混凝土的導熱系數設定為1.3 W/m、密度為2 100 kg/m3、比熱容為1 680 J/（kg·K），水泥混凝土的導熱系數設定為2.2 W/m、密度為2 500 kg/m3、比熱容為840 J/（kg·K），碳纖維發熱線的線功率25.3 W/m，表面的熱流通量為1 241.3 W/m²，發熱電纜的線功率

25 W/m，電纜表面的熱流通量為1 225 W/m²。

研究表明，在下雪前（一般可根據天氣預報）將電源打開（提前幾個小時），溫度升高到2～3 ℃，一旦開始下雪，地面上的溫度就可以將雪融化掉。根據工程當地的氣象條件，計算在推薦安裝功率下，不同室外溫度條件下，溫度升高到2～3 ℃所需的時間。一般認為預熱時間在4～6 h是最為經濟和接受的。預熱時間的控制是評價整個融雪化冰系統的關鍵因素，預熱時間的研究可以大大精簡整個系統的工作周期。通過ABAQUS有限元軟件模型對所提方案的預熱時間以及橋面溫度應力進行分析，研究不同方案下電纜的融雪時間及溫度應力對橋面板的影響。

2.3 碳纖維發熱線鋪裝技術標準

基于上述理論計算及相關實踐鋪設經驗，發熱電纜和碳纖維發熱線鋪裝技術標準如表2所示。

2.4 橋面布線

由于考慮到發熱線的抗拉、抗壓強度，以及便于施工等特點，發熱線的埋設深度一般位于橋面板調平層和鋪裝層之間。

2.4.1 發熱電纜橋面布線

（1）安裝層位：發熱線安裝在橋面混凝土找平層中上部6.5 cm處，固定于鋼筋網上，安裝完畢后鋪裝瀝青混凝土，設計厚度是4.5 cm。

（2）發熱線鋪設設計：發熱電纜橋面鋪設采用縱鋪設，分成3個區布設，引橋的2個區包含48根發熱電纜，主線橋的一個區含21根發熱電纜，電纜線距離邊緣20 cm，電纜線管間距為11 cm，區與區之間間隔10 cm。

2.4.2 碳纖維發熱線橋面布線

（1）安裝層位：發熱線安裝在橋面混凝土找平層上部6.5 cm，同樣固定于鋼筋網上，安裝完畢后鋪裝瀝青混凝土，設計厚度是4.5 cm。

（2）發熱線鋪設設計：碳纖維發熱線橋面鋪設采用橫向鋪設，分成2個區布設，為引橋2個區，每個區包含31個發熱面，主線橋一個區，含24個發熱面，碳纖維發熱線橋面鋪設中，每個面布設16根碳纖維發熱線，電纜線距離邊緣10 cm，電纜線管間距為12.5 cm。

2.5 控制系統和配電系統

2.5.1 控制系統設計

該項目采用遠程智能控制系統對橋面融雪化冰進行控制，控制系統包括遠程控制專用PLC、觸摸屏、模擬量輸入模塊、無線通訊模塊、地溫探頭、電源開關等，電源開關連接發熱電纜或碳纖維發熱線。當橋面附近降雪時，操作人員通過遠程控制電源開關給發熱電纜或碳纖維發熱線供電，使橋面加熱系統保持恒溫，可用手機短信隨時查看現場電氣設備的運行狀況，當發熱電纜或碳纖維發熱線發生漏電、短路或過載時，系統自動發送報警短信到指定的值班人員手機上；待橋面附近降雪停止時，供熱系統將繼續工作一段時間，保證橋面融雪化冰的效果，使整個供熱系統以最節能、安全、便捷的方式運行。

該項目采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系統，根據降雪預報，手機短信遠程控發熱電纜，并且通過預先埋設于橋面中的地溫探頭實時監測橋面內部溫度，PLC控制系統根據地溫探頭收集的信號，控制配電箱供電使橋面內部保持恒溫，既能達到融雪化冰的效果又能節約電能；同時將PLC與觸摸屏連接，觸摸屏上有外部環境溫濕度和橋面各個區內部溫度顯示，通過人機界面操作，可現場實時對橋面內部加熱溫度參數進行調節。PLC控制系統中還加裝了遠程通信模塊，可達到遠程開關設備的功能，并且及時反饋現場設備運行狀況，真正實現橋面融雪化冰的遠程智能化控制。

該控制系統的特點：

（1）采用PLC可編程控制器和觸摸屏連接，使整個控制系統可靠性提高。觸摸屏可以實時顯示溫度值和發熱線當前狀態。

（2）該系統采用恒溫控制，既能保證融雪化冰的效果，又能最大程度地節約電能[1]。

（3）靈活的手動和自動切換。自動模式啟動后可通過觸摸屏設置需要的溫控參數值，系統會自動進入恒溫控制模式。

（4）溫度采集的可靠性。采用控制溫度和參考溫度兩個數值，分別通過安裝在路面下的傳感器實時采集的溫度值，然后通過特定算法，把合理溫度值作為最終控制標準。

（5）實時報警功能。當碳纖維發熱線發生短路或過載時，PLC會自動報警，同時觸摸屏也會記錄此次故障，并通知故障發生原因。溫度傳感器出現問題時，觸摸屏也會及時提示更換新的傳感器。

（6）五路加熱系統分散控制，分散控制系統時，五路單獨進入各自開啟。

（7）采用無線通信模塊，可以通過手機進行遠程通信控制和監控，系統出現故障也會及時通過短信反饋回來。當出現整個供電系統斷電，手機也會收到相應信息，確保控制可靠性。

（8）加熱時間可以根據天氣預報進行遠程靈活設置，當橋面積雪融化掉時會自動停止電纜加熱。

2.5.2 配電系統設計

該項目施工段為單幅超車道，K719+943～K720+546，共分為5個區施工，每個區長度分別為124 m、124 m、96.7 m、124 m和124 m；發熱電纜鋪設施工段為其中的124 m、124 m、96.7 m，碳纖維發熱線為剩余兩段124 m、124 m；整個施工段共用一個箱變系統，動力柜內共設置7條電路，3條給發熱電纜配電箱供電，2條給碳纖維發熱線配電箱供電，多設置一條給PLC控制系統供電，最后剩余一條留作備用。

（1）發熱電纜配電系統設計：

①設計橋梁鋪設總長345.54 m，分為3區控制：單邊引橋2個區，每個區包含28根發熱電纜；主線橋1個區，包含21根發熱電纜。共有77根發熱線連接到3個配電箱中，動力柜給3個配電箱分配電能[2]。

②動力柜初步設計在主線橋K720+242橋墩正前方68.0 m高壓桿位置。通過一個630 kVA變壓器連接高壓線，將高壓轉化為低壓為線纜提供動力，電源采用380 V的三相五線制。動力柜中主要包含總開關、電能表、萬能式斷路器、互感線圈和銅排等。動力柜給引橋的2個配電箱分配電能，每個配電箱分配功率98 kW。主線橋的1個配電箱分配電能，配電箱分配功率73.5 kW。配電箱必須安裝漏電保護器。動力柜到施工路段3個配電箱的配電線路用鋼絞絲架空的方式，引到引橋的2個配電箱導線型號為YJV?4*70 mm²+1*35 mm²，引到主線橋的1個配電箱導線型號為YJV?4*50 mm²+1*25 mm²。

③3個配電箱可設置于中央分隔帶下方橋墩上，分散放置有利于節約導線，3個配電箱共控制77根發熱電纜，其中引橋的2個區，每個區含28根發熱電纜，每根電纜分配功率3.5 kW；主線橋的1個區，含21根發熱電纜，每根電纜分配功率3.5 kW，發熱電纜的冷線型號采用BV3*4 mm²。配電線用塑料管做穿線保護，沿橋墩上行連接到配電箱上。配電箱由斷路器、交流接觸器（線圈電壓220 V）、漏電保護器和空氣開關組成[3]。PLC控制系統通過鋪設于橋面內的地溫探頭，實時監測橋面內溫度，當橋面內部溫度達到設定值后，交流接觸器斷開發熱線的電源，發熱線停止加熱，當路面溫度低于溫度設定值時，交流接觸器接通發熱電纜的電源，發熱電纜開始加熱，這樣往復運行[4]。

（2）碳纖維發熱線。在該項目中，施工橋面長248.54 m，總共需要992根碳纖維發熱線，分成2個區布設。引橋的2個區，每個區包含31個發熱面。每個面布設16根碳纖維發熱線。每個區配備一個配電箱，共設置2個配電箱，每個配電箱內安裝有交流接觸器，由動力柜給這2個配電箱供電。動力柜內設置4條電路，其中2條分別接2個配電箱，每個配電箱內安裝有斷路器、漏電保護器、交流接觸器和空氣開關。

3 結語

綜上所述，鋪設橋面發熱系統是解決冬季橋面積雪積冰問題的有效措施，目前該系統得到了越來越廣泛的應用。以上結合公路路段實際情況，對橋面發熱系統具體應用進行了初步分析與總結，旨在為其他工程對橋面發熱系統的應用提供可靠技術參考，使該系統的應用達到理想效果。

參考文獻

[1]張提勇， 董艷濤， 陳仁山， 等. 橋面發熱電纜防冰及融冰試驗研究[J]. 山東交通科技， 2021（1）： 129-134.

[2]卜胤， 周昌， 王斯倩， 等. 碳纖維發熱橋面熱量耗散分析[J]. 中外公路， 2020（5）： 311-315.

[3]李榮清， 鄒秀寶， 張愷. 橋面碳纖維發熱融雪化冰系統影響因素分析[J]. 交通科技， 2019（1）： 63-66.

[4]高明明. 發熱電纜布設方式對橋面融冰化雪的影響分析[J]. 現代交通技術， 2018（2）： 59-61+66.